真實情境下的化學計算教學

楊婷

摘要：針對傳統化學計算教學“為計算而教計算”、教學情境素材老舊或脫離實際等問題，通過創設真實實驗情境及問題情境，聯系中考題型及內容，結合初高中銜接理念，開展一堂以樣品中碳酸鈣含量的測定為主要內容的化學計算課，幫助學生理解化學計算的學科價值，培養學生運用化學計算解決實際問題的能力。

關鍵詞：化學方程式;計算;真實情境;初高中銜接

一、教學理念的提出

2011年版初中化學課程標準在“課程基本理念”中強調：為學生創設體現化學、技術、社會、環境相互關系的學習情境，使學生初步了解化學對人類文明發展的巨大貢獻。初中階段的化學計算包含化學方程式計算、溶液配制及稀釋的計算、溶液組成計算及有機物的相關計算等，而高中階段的化學計算多數是以此為基礎進行延伸和深化，因此，化學計算是初高中銜接教學的重要內容。初中化學計算以提高學生分析能力及運算能力、培養學生定量思想及守恒觀為主要目標，能夠幫助學生形成科學的學習和思考方法，培養學生的化學學科素養。

從中考試題的命制角度來看，中考計算題已逐步摒棄“為計算而計算”的出題方式，走出“偏、難、怪”的命題誤區，這也和高考命題改革相一致。現今人們普遍認為，只有真實情景的化學計算，才能讓學生體會到化學計算的實用價值，才能讓學生學會應用化學計算解決實際問題，才能讓學生真切地體驗并感受到化學方程式計算的重要意義。

此外，化學方程式不是符號和數字的簡單組合，而是對化學反映宏觀事實和微觀本質的符號表征。實踐證明，學生能否理解“可觀察的宏觀世界，分子、原子和離子構成的微觀世界，化學式、化學方程式和元素符號構成的符號世界”這三者之間的聯系，是影響學生化學學習的重要因素。化學方程式的計算也不僅僅是簡單地從數學運算的角度進行化學計算，而是要求學生結合情境，理解為什么要計算和如何先分析再計算。

從化學計算的常規教學角度來看，對于化學方程式計算的教學，在傳統教學中，一些教師的教學模式是“例題展示—模仿練習—錯誤分析—強化訓練”，按照“設、式、量、比、算、答”的程序來講解。誠然，這樣的模式也能讓學生較好地掌握計算的技能，但課堂顯得枯燥、乏味，不能充分體現“以實驗為基礎”的化學學科特點，更重要的是學生缺乏對定量研究物質變化的理解。

綜上所述，筆者認為，化學計算教學應結合學生已有的生活經驗，創設真實的問題情境，與化學學習方法、化學觀念等融合，從而進行有趣且高效的教學。

下面以“化學方程式的計算”為例，試圖創設一個真實且可以隨著學生知識的生成持續變化的教學情境，引導學生逐步認識到化學計算并非單純的數學運算，而是真正具有實際意義的計算。

二、課前準備

（一）選擇適當的素材

由于本課實驗只是輔助，因此所選用的實驗需操作簡便、數據易得，同時需結合學生已有的知識和初中化學中典型的計算類型，最終筆者選擇了“樣品中碳酸鈣含量的測定”這一課題。其基本思路是：根據實驗中收集到的CO2的量來推算CaCO3的質量，從而算出樣品中CaCO3的質量分數。實驗探究點是：如何測定實驗過程中產生的CO2的量。

對于氣體，可以用兩種方法進行測量。一是直接稱量反應前后物質的總質量，通過計算其差值即可算出氣體的質量。二是通過測氣體的體積來推算氣體的質量。對于本課CO2的質量測定來說，這兩種方法都可以。本課則運用這兩種方法分別測定同一種樣品中碳酸鈣的質量分數，對比兩個結果，進行誤差分析。

（二）選擇合適的藥品及用量

（1）藥品的選擇。筆者預先對以下幾種樣品進行了選擇，分別是：大理石（石灰石），鈣片（主要成分為碳酸鈣），珍珠粉，碳酸鈣粉末。考慮到本節課的重難點均不在實驗操作或實驗探究上，并且課堂實驗時間有限，實驗要在短時間內完成，因此反應的快慢程度非常重要。經過試驗對比發現：大理石（石灰石）反應速率中等;鈣片反應速率較慢;珍珠粉雖然反應很快，但是會出現較多泡沫，把粉末“托舉”起來，使反應不能完全進行;而碳酸鈣粉末反應很快且不會出現“泡沫托舉”現象。因此，筆者最終選擇碳酸鈣粉末進行實驗。

（2）藥品的用量。對于用稱量法來測CO2質量的實驗，樣品的用量可以有較多的選擇。而對于通過測體積法來計算CO2質量的實驗，樣品的用量就不能隨意選擇，藥品用量取決于集氣瓶的規格，必須控制產生的CO2體積在集氣瓶的容積以內。經過多次反復試驗對比，筆者認為取用1克左右的碳酸鈣樣品較為合適。

（三）選擇相應的裝置和操作方法

（1）稱量法測CO2的質量。因為CO2是氣體，且1克左右的碳酸鈣與足量的稀鹽酸反應，產生的CO2大約是0.44克，用普通托盤天平難以準確稱量，所以需要選擇精度比較高的電子天平。

反應容器的選擇：試管口徑較小，滴加稀鹽酸容易沖出，造成較大的損耗;放在錐形瓶中進行，不會有液體沖出，但是因為CO2的密度比空氣大，短時間內難以全部逸出，容易造成較大的誤差。所以，我選擇在小燒杯中進行。燒杯口比較大，氣體容易逸出，比較合適。

操作方法：向盛有樣品的小燒杯中滴加稀鹽酸，不宜選擇直接傾倒的方法，因為直接傾倒會導致液體沖出，造成較大的誤差。

（2）體積法測CO2的質量。用體積法測氣體的體積主要有以下幾種方法（裝置如圖1所示）。

筆者用第一種方法嘗試過多次，效果均不太理想。原因是樣品和稀鹽酸反應很快，產生的CO2氣流不穩定，所以排出水斷斷續續;另外，讀數時兩邊的液面要保持相平，否則會產生壓強差，使測定結果產生誤差。

用第二種方法直接在量筒里收集氣體，然后直接讀數，應該是比較準確的。但是，取1克左右的碳酸鈣樣品，產生的CO2大約為220毫升，實驗室沒有大規格的量筒（若取用樣品的質量較少的話，誤差會比較大），而且最關鍵的是不易操作。

經過反復試驗，筆者認為第三種方法比較好。選擇250毫升規格的集氣瓶，可以調節集氣瓶內外壓強差，最后根據集氣瓶中留下的水的體積算出CO2的體積，再根據實驗溫度下的密度把體積換算成質量。

用上述方法測得的樣品中碳酸鈣的質量分數結果有差異，體積法測定的結果偏低，稱量法測得的結果比較準確。

三、課堂活動（片段）

[問題]如何測定1g粉末樣品中碳酸鈣的含量？

[知識回顧]

1.空氣中的氧氣體積含量是如何測量的？（如圖2所示）

2.測定質量守恒定律的實驗為什么要在密閉容器中進行？（如圖3所示）

[學生歸納]

1.紅磷燃燒消耗氧氣，通過測量水的體積間接測量氧氣的體積。

2.碳酸鈣和稀鹽酸反應產生的二氧化碳氣體會跑掉，使天平不平衡。

[結論]可以通過直接稱量和間接測量的方法得出氣體的質量，然后帶入化學方程式計算。

【設計意圖】根據布魯納的建構主義理論，通過對已學知識的回顧為學生搭建腳手架。學生在對空氣中氧氣含量的測定及質量守恒定律的學習中就接觸過氣體質量的相關測定，用這兩個例子引入測量氣體體積和質量的方法，也可為后面的化學計算做鋪墊。

[實驗]

1.直接稱量法。

（1）用電子天平稱取1克左右的樣品放在小燒杯中，與過量的稀鹽酸一起稱量總質量，記錄數據。

（2）向粉末中滴加稀鹽酸，直到不產生氣泡為止，再次稱量總質量，記錄數據（見表1）。

[學生活動]將二氧化碳的質量帶入化學方程式，計算碳酸鈣的質量。

2.間接測量法。

（1）稱取1克左右的固體粉末放入錐形瓶，用250毫升的集氣瓶排水法收集氣體（如圖4所示）。

（2）從分液漏斗慢慢加入20毫升（確保過量）的稀鹽酸，直到不產生氣體為止。

（3）用量筒測量集氣瓶中剩余水的體積，記錄數據（見表2）。

[學生活動]根據相應的數據算出二氧化碳的質量，再根據化學方程式算出碳酸鈣的質量。

[數據分析]

1.間接測量法所得結果偏低的原因可能有哪些？

2.如何減小誤差？

[學生回答]

1.可能有一些二氧化碳溶于水，使體積偏低;多步驟操作引起誤差;藥品分布不均勻……

2.一次試驗存在偶然性，應該多次實驗，取平均值。

【設計意圖】筆者根據多年教學經驗可知，若是直接給數據代入方程式計算，絕大多數學生都能完成，但在真實的實驗或情境中，很多數據都是要進行分析和處理的，并且數據通常較多，需要進行有效選擇，而這正是學生欠缺的。因此，筆者設計這樣一個教學片段，讓學生在真實的實驗操作中尋找有用的數據，并且學會數據分析處理，培養學生解決真實問題的能力，同時也為學生高中的實驗數據處理打下基礎。

四、課后反思

化學方程式計算的根據是質量守恒定律，而質量守恒定律是化學學習非常關鍵的一部分，要想學好化學計算，就必須正確使用化學基本術語和原理，順利找出相關物質的質量關系、列出比例關系。真實情境下的化學計算教學，需要學生解讀相應的信息，設計可行的實驗操作，搜集相應的數據，處理數據之間的關系，還要能對實驗誤差進行一定的分析。這樣的教學層次比較高，學生必須具備一定的基本功，熟練掌握化學計算的基本格式和步驟。所以，一定的例題講解和模仿練習還是必要的，但切忌一味地講和練。教師應該創設一些真實情境，為化學計算教學增添一抹亮色，從而讓學生逐步認識到：化學計算并非單純的數字運算，而是具有實際意義的計算。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]畢華林.化學新教材開發與利用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]楊硯寧.創設真實情境提高化學計算教學實效：以“依據化學方程式的計算”的教學設計為例[J].化學教學，2018（11）.

[本文系中國化學會教育委員會“十三五”規劃課題“基于化學核心素養的初高中化學銜接教學”（課題號：HJ2020-0058）階段性成果]

（責任編輯：韓曉潔）